书城自然科学故事会
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第4章 在通往“1 1”的道路上

1742年,是一个数学家们至今仍难以忘怀的年头。

这一年的6月7日,德国数学家哥德巴赫(1690~1764)给当时住在彼得堡的瑞士数学家欧拉(1707~1783)写了一封信。哥德巴赫在信中猜想说:每一个大于5的偶数都是两个奇素数的和——通常称为“偶素数歌德巴赫猜想”;每个大于8的奇数都是三个奇素数的和——通常称为“奇素数歌德巴赫猜想”或“三素数猜想”。

在同一年的6月30日,欧拉给哥德巴赫回了信,认为这个猜想可能成立,并对哥德巴赫的两个猜想作了补充和归纳:只需要说明每个大于2的偶数都是两个素数之和就行了。

1770年,英国数学家华林(1734~1789)在发表的《代数沉思录》一书中,把哥德巴赫和欧拉的这些通信内容公布出来以后,当时的数学界就把他们谈到的问题称为“哥德巴赫猜想”,通常简称“1 1”。

那么,“1 1”是否成立呢?

158年过去了,数学家们只是验证了3300万以内的偶数,“1 1”都是成立的,而没有人能证明“1 1”是否成立。此时数学界觉得有点“脸上无光”了。在这个背景下,德国大数学家希尔伯特(1862~1943)要“大声疾呼”了。

1900年,第2届国际数学家大会在巴黎召开,希尔伯特提出了著名的“23个问题”。他把“偶素数歌德巴赫猜想”和另外两个相关的问题概括在一起,列为其中第8个问题。

由于希尔伯特的“大会动员”,“脸上无光”的数学家们加紧了研究的脚步。

但是,数学家们很快就发现,“1 1”确实是一块难啃的“硬骨头”。

那么,这“骨头”有多“硬”呢?在12年以后1912年召开的第5届国际数学家大会上,德国数学家朗道(1877~1938)说,即使要证明较容易一点的命题——任何大于4的自然数都是‘C个’素数的和(这被称为“弱型哥德巴赫猜想”),也是现代数学所力不能及的!

当然,也有数学家对朗道的“悲观”不以为然。例如,9年之后的1921年,在哥本哈根召开的一次国际数学会上,英国著名数学家、数论大师哈代(1877~1947)就在会上说,哥德巴赫猜想的困难程度,可以和任何没有解决的数学难题相比,但不是像朗道所说的那样绝对。

考验人类智慧和创新能力的时候到了!

数学家们证明“1 1”的创新思路有以下两条。

“思路一”:把朗道所说的“C个”先定得大一些,然后再逐步缩小,直到“C个”等于2的时候,“1 1”就被证明了。

“思路二”:先证明“n m”(这里的n和m可以相等,也可以不相等),然后再逐步缩小n和m,直到n=1和m=1的时候,“1 1”就被证明了。

可以看出,这两种思路的共同点是,都使用了科学研究中的一种重要方法——逐步逼近法。

果然,这两种创新思路——特别是“思路二”,都取得了重大成果。

沿着“思路一”,25岁的前苏联数学家什尼列尔曼(1905~1938),创造了“正密率法”,首先把“C个”确定为不大于80万。

C的结果年代获得结果的数学家20081935前苏联罗曼诺夫(1907~?)711936德国或加拿大海尔布隆(1908~1975)、德国朗道、德国西尔克671937意大利雷西201950美国夏彼罗、美国瓦尔加(1922~)181956中国尹文霖(1928~1985)此外,在1937年,前苏联数学家维诺格拉多夫(1891~1983)用改进了哈代和李特尔伍德等在20世纪20年代创立的“圆法”,和他本人独创的“三角和估计法”,基本上完全证明了“三素数猜想”,使它成为“三素数定理”。

这里提到的哈代(1877~1947)和李特尔伍德(1885~1977),都是英国数学家。

沿着“思路二”,在1920年,挪威数学家布龙首先用他发明的“布龙筛法”,取得了“9 9”的成果。

中国潘承洞(1934~)1 41962,1963王元,潘承洞、巴尔班1 31965布赫什太勃、前苏联维诺格拉多夫(1891~1983)、德国(一说意大利)波皮里1 21973中国陈景润中国数学家陈景润(1933~1996)在1966年发明了迄今为止最卓越的筛法——“加权筛法”,并证明了“1 2”。这被誉为“移动了群山”的成果,至今无人能超越。

在得到上面的众多成果中,数学家们对数学方法——特别是筛法,进行了许多改进和创新。通俗地说,筛法就是像筛子一样把合数和素数分开的方法。最古老的筛法是“埃拉托色尼筛法”,它的发明者是古希腊数学家埃拉托色尼(公元前284至274~前194)。上面没有提到的创新的筛法就有“塞尔伯格筛法”,前苏联数学家林尼克(1915~1972)创立的“大筛法”,以及这些筛法的各种改进版本等。由于这些方法比较深奥,所以这里不予叙述。

此外,包括我国的华罗庚(1910~1985)在内的许多中外数学家,都对筛法和证明“1 1”作出过不同的重要贡献。

虽然“1 1”至今仍然没有攻克,但是数学家们和社会各界却一直在努力。例如,在2000年3月18日,英国费伯和美国布卢姆斯伯里两家出版社,就曾悬赏100万美元奖励在两年内证明“1 1”的人。不过,也有人认为这是在为一本小说做宣传而进行的炒作,这本小说是希腊作家阿波斯托洛斯·佐克西亚季斯的《彼得罗斯大叔和哥德巴赫猜想》。就在此事发生不久,美国的科雷数学基金会也悬赏100万美元,为包括“1 1”在内的“七大数学难题”求解,限期是100年。

由于“1 1”表述非常简单而优美,而且似乎只要有“素数”等初等数学知识就能“搞定”,所以吸引着无数专业和非专业的“数学迷”前仆后继地去为它宵衣旰食。但是,摘取“1 1”这顶“数论王冠上的宝石”,却有常人想象不到的难度。对此,德国数学家联合会主席旋特洛特曾说:“别说100万美元,就是1亿美元的重奖也未必能加快问题的解决。”200多年以来的“先行者”无一不铩羽而归的前车之鉴告诉我们,一定不要轻易去求证这一难题。

这里,我们不妨举出一个近期的例子。在2000年3月18日英、美那两家出版社悬赏100万美元之后的两年里(即2002年3月15日前),中国科学院数学研究所就不断有声称已经破解了“1 1”的“民间数学家”的来信或来访。其中,既有农民、工人,也有中学教师、企业“高工”。在吃了闭门羹之后,一些“民间数学家”就声称,要把自己的成果直接寄到国外著名的数学刊物上去发表。但必然的“遗憾”是——从此“泥牛人海”,销声匿迹……

但是,希尔伯特那豪壮的“我们必须知道,我们必将知道”的名言,仍会激励着那些有一定数学功底、敢于在崎岖小路上向顶峰攀登并做好失败心理准备的人们。我们祝愿,智慧的人类早一点解决这个难题。

从理论上说,大自然的规律最终是可知的,但却又是一步一步无限接近的。所以,人类是否能在某个时间之内(例如“地球毁灭”之前)最终解决这个难题,特别是用不太长的时间(例如在21世纪内)——谁也说不准。

因为——“科学是不能计划的。”

不管我们走多远,脚下的路永远都是起点。

在通往“1 1”的道路上,无数先贤呕心沥血而不计成败得失。因为他们深信:“最渺小的作家常关注着成绩和荣耀,最伟大的作家常沉醉于创造和劳动。”因为他们深信:“劳动本身就是人生的目标。”